電力電子系統(tǒng)在風能電網(wǎng)中的應用與展望

摘 要：新型能源的應用正日益廣泛地用作傳統(tǒng)大型中心電站的補充和替代。本文闡述了關(guān)于風能發(fā)電的現(xiàn)狀和在未來的發(fā)展趨勢，同時闡述了關(guān)于電力電子技術(shù)在風能發(fā)電中的諸多應用以及在未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電力電子；風力發(fā)電；渦輪發(fā)電機；儲能系統(tǒng)

一、引 言

目前社會需求已經(jīng)不再是用電力電子技術(shù)來解決問題，而是電能處理的系統(tǒng)集成。一種更為綜合性的多學科的解決方案迫在眉睫。我們將會看到能量存儲系統(tǒng)等級的激增。而越來越多的可再生能源和分布式發(fā)電機需要新的電網(wǎng)運行和管理控制策略來保證甚至改善供電的質(zhì)量和可靠性。電力電子在能量系統(tǒng)中的廣泛滲透將會在未來25到3O年內(nèi)發(fā)生，但對目前主要的輸電的網(wǎng)絡不會有大的影響。電力電子的進步主要集中在分布式發(fā)電和各種負載中的應用。在分布式發(fā)電和將可再生能源集成到電網(wǎng)中，電力電子技術(shù)扮演著重要的角色，并且由于這些應用變成更多的與基于電網(wǎng)系統(tǒng)集成，電力電子技術(shù)被廣泛地應用并迅速地擴展。

二、風能發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

風能發(fā)電已經(jīng)正在變成為被廣泛接受的發(fā)電技術(shù)。伴隨著風電技術(shù)的開發(fā)在世界各國的不斷發(fā)展，風力發(fā)電呈現(xiàn)出以下主要特點：裝機規(guī)模不斷擴大，風電發(fā)電量占世界總電量的比例逐年增加，從占總量的不到1‰發(fā)展到2004年的5‰;發(fā)電機單機容量不斷擴大。作為提高風能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，發(fā)電機單機容量從1997年以前的500～750kw主流機型發(fā)展到目前3.6MW機組的批量安裝;海上風電場逐步商業(yè)化。海上風電場具有風速高、風力穩(wěn)定、各種干擾少、發(fā)電量大等特點，可以有效利用風電機組的發(fā)電容量;風力發(fā)電成本不斷降低。風電的建設投資成本較高，但營運費用很低。

三、電力電子在風力發(fā)電技術(shù)中的應用

最近五年世界風力渦輪發(fā)電機市場平均每年以30%多的速度增長，風能在發(fā)電中已經(jīng)開始占據(jù)越來越重要的作用。現(xiàn)有市場上風力渦輪發(fā)電機采用的設計技術(shù)也有很大的不同。這些不同主要反映在風力渦輪和發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合上。一種轉(zhuǎn)速取決于風速的風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被應用到風力發(fā)電市場上，這是為了盡量大的獲取有風力提供的能量?？勺兯亠L力渦輪發(fā)電機技術(shù)每年可以捕獲的能量比定速技術(shù)高5%，并且其中的無功功率和有功功率都比較容易控制，也能使電網(wǎng)電壓得到控制，因為它產(chǎn)生的無功功率是可變的?？勺兯贉u輪發(fā)電機的缺點就是需要電力轉(zhuǎn)換裝置，這樣不僅增加了部件數(shù)量也增加了控制的復雜度。其中應用電力電子技術(shù)所花的總成本是整個風力渦輪發(fā)電機的7%。由于快速處理大功率的半導體開關(guān)器件技術(shù)和高級復雜算法的計算機實時控制技術(shù)的引入電力電子技術(shù)經(jīng)歷了很大的發(fā)展和變化，這些因素綜合起來就導致了低損耗并且和電網(wǎng)兼容性好的變流器的出現(xiàn)。這也使得近年來變速風渦輪發(fā)電機得到了很大的發(fā)展。

1)利用雙反饋感應發(fā)電機(DFIG)的變速技術(shù)：這種強迫開關(guān)的功率變流器的原理圖如圖1所示。變流器包括兩個三相AC—DC功率變流器，兩者由一個直流電容器電池鏈接。這種結(jié)構(gòu)一方面保證對機器的有功功率和無功功率進行矢量控制，另一方面還能減少功率變流器注入電網(wǎng)的諧波大小。

2)全部采用功率變流器的可變速技術(shù)：發(fā)電機跟電網(wǎng)完全解耦。發(fā)電機的能量整流到直流鏈然后被轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)可以接受的交流能量。大多數(shù)這種風力渦輪發(fā)電機采用多極同步發(fā)電機，雖然它也可能(但是較少)采用感應發(fā)電機和齒輪箱。不采用齒輪箱有很多優(yōu)點：降低損耗，消除這類昂貴重的部件引起的較低的成本，和由于減少旋轉(zhuǎn)的機械部件而使可靠性增加。

圖2給出了這種適用于風力渦輪發(fā)電機的全功率變流器的原理圖。機側(cè)利用矢量控制策略的三相變流器作為驅(qū)動器工作控制轉(zhuǎn)矩發(fā)電機。兩側(cè)三相變流器則使風能轉(zhuǎn)化的電能進入電網(wǎng)并且能夠控制進入電網(wǎng)的無功功率和有功功率大小。它也要保持總諧波畸變因數(shù)(THD)盡量低，以改善輸送到公共電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。直流鏈的目的是用作為能量儲存，這樣由風捕獲的能量儲存為電容器中的電荷，然后可以即時地注入到電網(wǎng)中?？刂菩盘柕淖饔檬菫橹绷麈淚壓Vdc保持一個固定的參考值。

3)半導體器件技術(shù)：為了改善應塌在風力渦輪發(fā)電機中電力電子變頻驅(qū)動裝置的性能和可靠性，需要具有更好電氣特性、更低價格的電力半導體器件，因為器件性能決定了用作風力渦輪發(fā)電機接口的整個電力電子部分的大小、重量和成本。

四、風力發(fā)電技術(shù)的趨勢

1)海上風力發(fā)電：風力渦輪發(fā)電機技術(shù)未來主要的發(fā)展趨勢就是離岸安裝。海上有大量風能資源可以在海水相對較淺的許多區(qū)域安裝風力渦輪發(fā)電機。離岸渦輪發(fā)電機通常能產(chǎn)生比安裝在附近區(qū)域的岸上的渦輪發(fā)電機多50%的能量。原因在于海平面上的空氣阻力比較小。另一方面，離岸系統(tǒng)的平臺結(jié)構(gòu)和安裝要比岸上系統(tǒng)多花50%以上的能量。但是，應當滓意離岸渦輪發(fā)電機比岸上渦輪發(fā)電機有大約多25—30年的壽命。原因在于海f的低擾動使風力渦輪發(fā)電機的疲勞載荷較輕。

傳統(tǒng)的熱量流通空氣調(diào)節(jié)(HVAC)輸電系統(tǒng)是一個將風電場跟電閼相聯(lián)的簡單、便宜的解決方法。高壓直流輸電(HVAC)接入電網(wǎng)技術(shù)能將風電場機組連接到電網(wǎng)，并且將電能安全有效地輸送到負載中心。對離岸風電場來說，DHVC輸電系統(tǒng)比HAC輸電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點。

1)發(fā)送和接受端的頻率是獨立的。

2)直流輸電的距離不受電纜負荷電流的影響。

3)離岸安裝與大陸擾動隔離。

4)功率流是完全確定和可控的。

5)電纜功率損耗低。

6)每根電纜的功率傳輸容量較高。

基于電壓源變流器(VSC)的HVAC輸電系統(tǒng)越來越受到廣泛的關(guān)注，不僅僅足跟電網(wǎng)相連的大型離岸風電場的關(guān)系?，F(xiàn)在基于VSC的解決方案已經(jīng)被ABB公司推向市場，并且命為“HVAC light”，Simens公司命名為“HVAC Plus”。圖3給出了基VSC的HVD輸電系統(tǒng)的原理圖。這種相對較新的技術(shù)(在1999年被商業(yè)化安裝運行)只有在能自關(guān)斷電流的IGBT器件發(fā)展下才可能實現(xiàn)。這意味著已不需要一個有源換流電壓了。因此，基于VSC的HVDC輸電系統(tǒng)就不再需要很強的離岸和岸上的交流電網(wǎng)，甚至能在完全癱瘓的電網(wǎng)中啟動(黑暗啟動能力)。但是，這種系統(tǒng)還有其他一些優(yōu)點：無功和有功可以分別獨立控制，這樣就可以減少對無功功率補償?shù)男枰⑶夷芴岣呓涣麟娋W(wǎng)在它們連接點的穩(wěn)定性。

2)大功率中壓變流器拓撲：為了降低每瓦成本和提高風能的轉(zhuǎn)換效率，最近幾年風力渦輪發(fā)電機的標稱功率不斷地增長。

提出的不同的多電平變流器拓撲可以分為以下五類：

1)帶有二極管箝位的多電平結(jié)構(gòu)。

2)帶有雙向開關(guān)接口的多電平結(jié)構(gòu)。

3)利用飛跨電容的多電平結(jié)構(gòu)。

4)帶有多元三相逆變器的多電平結(jié)構(gòu)。

5)帶有級聯(lián)單相H橋逆變器的多電平結(jié)構(gòu)。

隨著器件額定功率的提高和開關(guān)、導通性能的改善，應用多電平變流器的優(yōu)點就會變得越加明顯。最近論文中，輸出、輸入電壓中諧波含量的減小和電磁干擾(EMI)的減小特別受到關(guān)注。更重要的是，多電平電路對輸人濾波器要求最低或者換句話減少了轉(zhuǎn)流的次數(shù)。用同樣諧波水平的兩電平變流器作比較，多電平變流器的開關(guān)頻率能減少25%，這就導致開關(guān)損耗的降低。雖然多電平變流器中的導通損耗較高，但是整個系統(tǒng)的效率取決于開關(guān)損耗和導通損耗的比率。

風力渦輪發(fā)電機市場的趨勢是依據(jù)電壓和電流額定值，提高其標稱功率(幾兆瓦)。這使多電平變流器剛好適合這種現(xiàn)代大功率風力渦輪發(fā)電機的應用。電壓額定值的提高，允許把風力渦輪發(fā)電機的變流器直接連接到風電場的配電網(wǎng)絡，避免使用笨重的變壓器(見圖4)。

3)用于風電場的未來的儲能技術(shù)：儲能技術(shù)能潛在地改善風電的技術(shù)和經(jīng)濟上的吸引力，特別當它超過總系統(tǒng)能量的10%時(大約系統(tǒng)容量的20%——25%.一個風電場中的儲能系統(tǒng)將在平均l5分鐘風力的島效時間內(nèi)被用作海量儲能和在較短期間吸收或注入能量，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

在風電場中好幾種儲能技術(shù)得到應用。利用蓄電池作為一種儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)交換能量是眾所周知的。應用于可再生能源系統(tǒng)中的蓄電池有：鉛酸蓄電池，鋰電池和鎳電池。蓄電池具有快速的充放電響應速度，但它的放電速率受到化學反應和蓄電池類別的限制。在電力系統(tǒng)中，蓄電池的作用為一個電壓源。可再生能源系統(tǒng)中的蓄電池應用的新的發(fā)展趨勢是與好幾種能源(如風能，光伏發(fā)電系統(tǒng)，等)的集成，與補充它們的其它儲能系統(tǒng)的集成。同時，有許多研究人員努力致力于蓄電池單元的最佳化，以降低維護費用，提高壽命。對風電應用，液態(tài)(鋅溴)蓄電池系統(tǒng)提供了最低的單位儲能和送電成本。鋅溴蓄電池在概念和設計方面，與傳統(tǒng)的蓄電池，如鉛酸蓄電池完全不同。這種蓄電池是基于兩種常見的化學材料：鋅和溴的化學反應。與目前的鉛酸蓄電池相比，鋅溴蓄電池能提供兩到三倍高的能量密度(75—85瓦/每千克小時),而節(jié)省了體積和重量。這種電池的功率特性可以根據(jù)不同的應用，進行改善。特別是，鋅溴蓄電池在重復充放電循環(huán)后特性不會變差。它在可再生能源應用中具有極好的未來。

隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能，超導儲能，超級電容和壓縮空氣等新的儲能方式得到了相應的應用和發(fā)展，但由于風能發(fā)電和各個儲能技術(shù)的特性存在，這些儲能方式在和風能的結(jié)合上還在拓展階段。

五、總結(jié)

在可再生能源并網(wǎng)中，新的電力電子技術(shù)扮演著非常重要的重要的角色。為計劃中的最高額定功率的渦輪發(fā)電機開發(fā)電力電子接口裝置應當是可能的，從而可以優(yōu)化能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和控制無功功率，減少諧波畸變，在寬的功率范圍內(nèi)達到低成本和高效率，并且具有高的可靠性和對子系統(tǒng)部件故障的容錯性。

隨著世界范圍內(nèi)能源短缺的加劇，風力發(fā)電受到了更多的重視，更多大規(guī)模的風電開始接入電力系統(tǒng)，電力電子技術(shù)在風電并網(wǎng)及正常運行中發(fā)揮了重要作用。大規(guī)模風電場的并網(wǎng)運行，也將會逐漸降低風力發(fā)電的成本，風力發(fā)電更為普及，使在經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。